Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Кислинский Юлий Вячеславович
ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСПОРТ В БИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДАХ И ГИБРИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ ИЗ КУПРАТНЫХ СВЕРХПРОВОДНИКОВ
Специальность 01.04.01 - Приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук
МОСКВА - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН), Москва
Научный консультант: доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, Овсянников Геннадий Александрович
Официальные оппоненты: Губанков Владимир Николаевич, доктор физико - математических наук, профессор;
ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, зав. лабораторией фотоэлектронных явлений Мицен Кирилл Владимирович кандидат физико - математических наук, старший научный сотрудник, ФИАН им. П.Н.Лебедева РАН, зав. лабораторией сверхпроводимости
Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук.
Защита состоится 13 апреля 2012 г., в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ул. Моховая 11, корп. 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А.
Котельникова РАН
Автореферат разослан л12 марта 2012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук В. Н. Корниенко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы, объект и предмет исследования. В последнее время большое внимание уделяется процессам протекания сверхпроводящего и квазичастичного тока в тонкопленочных структурах на основе купратных сверхпроводников (КС), которые обладают dx2 2 - симметрией -y сверхпроводящей волновой функции (D-сверхпроводники). В отличии от металлических сверхпроводников с s-симметричным изотропным параметром порядка (S- сверхпроводников), в D-сверхпроводнике параметр порядка меняет знак при изменении на 90 направления импульса квазичастиц в ab-плоскости кристаллической решетки. В результате, у контактов между D- и S-, а также между D- и D-сверхпроводниками, зависимость сверхпроводящего тока IS от разности фаз между волновыми функциями параметра порядка (ТФЗ) может отличаться от - синусоидальной. Сложный химический состав КС и их высокая чувствительность к содержанию кислорода влияют на физические свойства контактов сверхпроводников вблизи границы раздела. В КС наблюдается высокая температура сверхпроводящего перехода (TC) и амплитуда параметра порядка существенно выше, чем у обычных (металлических) сверхпроводников, так у YBa2Cu3O7- (YBCO) она достигает 3040 мэВ при температуре Т=4.2 К. Однако, соответственного увеличения характерного напряжения переходов VC=ICRN (IC - критический ток, RN - нормальное сопротивление), у D-сверхпроводников - не наблюдается, тогда как у Sсверхпроводников напряжение VC. Величина VC определяет сигнальные и шумовые характеристики перехода. У наиболее воспроизводимых переходов в эпитаксиальных пленках YBCO на бикристаллических подложках VC 1 мВ при T=77 K. Поэтому исследование зависимостей IC и RN от углов разориентации бикристаллических переходов и детектирование ими субмм. излучения представляет значительный интерес.
Структуры с магнито-активными прослойками вызывают большой интерес в настоящее время. Известны КС гетероструктуры с прослойкой из несверхпроводящего купрата PrBa2Cu3O7 (PBCO), который является диэлектриком с прыжковой проводимостью при стехиометрическом составе [1]. При других концентрациях кислорода PBCO может быть металлом и сверхпроводником. В работе исследовались гибридные гетестроструктуры, состоящие из КС и Nb. Нами использовалась прослойка из Ca1-xSrxCuO(CSCO), который при низких температурах является квазидвумерным гейзенберговским антиферромагнетиком (AF - прослойка). Удельное сопротивление у CSCO выше, чем у PBCO, в сверхпроводящее состояние CSCO переходит в редких случаях, например, при синтезе под высоким давлением [2].
Объект исследования - механизм транспорта носителей тока в джозефсоновских переходах, имеющих 1 или 2 электрода - из купратного сверхпроводника.
Предмет исследования - три типа контактов, в которых исследуется эффект Джозефсона на постоянном токе или при СВЧ воздействии:
- симметричные бикристалические переходы в эпитаксиальных пленках YBCO, -гибридные оксидные меза-гетероструктуры Nb/Au/YBa2Cu3O7 на наклонных пленках YBCO (t-гетероструктуры), - гибридные оксидные меза-гетероструктуры Nb/Au/Ca1-xSrxCuO2/YBa2Cu3O7 с антиферромагнитной прослойкой Ca1-xSrxCuO2 (a-гетероструктуры).
Цель и задачи исследования Цель работы - определение физических механизмов транспорта носителей тока в джозефсоновских контактах из купратных сверхпроводников, являвшихся предметами исследования. Задачами работы являлись:
- разработка СВЧ методики измерения ток-фазовой зависимости для джозефсоновских переходов с несинусоидальной ТФЗ и ненулевой емкостью;
- определение ток-фазовых зависимостей гетероструктур на наклонных пленках YBCO и гетероструктур с AF-прослойками по данной СВЧ методике;
- определение модели транспорта носителей тока в симметричных бикристаллических переходах, нахождение границ применимости этой модели;
- экспериментальное определение условий проявления аномально большого эффекта близости на границах сверхпроводящий/антиферромагнитный купрат;
- экспериментальное исследование механизма подавления критического тока, которое вызвано изменением спинового состояния купратной прослойки.
Положения, выносимые на защиту 1. Для YBCO переходов на бикристаллических подложках с симметричными углами разориентации в ab-плоскости установлено, что с ростом от 80 до 4характерные сопротивления границ RNA возрастали на 1 порядок, а плотности тока jC и характерные напряжения ICRN - убывали на 2 порядка и на 1 порядок - соответственно. Зависимости от объясняются моделью туннелирования электронов через локализованные состояния в бикристаллической границе.
2. Разработана СВЧ методика определения ТФЗ джозефсоновских переходов по изменению целых и дробных ступеней Шапиро от мощности внешнего сигнала, которая применима при высокой частоте сигнала и произвольной емкости перехода.
3. В aЦгетероструктурах c прослойками Ca1-xSrxCuO2 наблюдался сверхпроводящий ток, плотность которого убывала с ростом толщины прослойки по экспоненте с масштабом 710 нм. Наблюдалась отрицательная вторая гармоника ТФЗ, измереная СВЧ методикой в a-гетероструктурах.
4. Периоды магнитополевых зависимостей критического тока у гетероструктур с AF-прослойкой на порядок меньше, чем у t-гетероструктур без нее, что объясняется моделью сверхпроводник - антиферромагнетик - сверхпроводник.
Научная новизна диссертации 1. Экспериментально полученные зависимости электрофизических параметров бикристаллических переходов от угла разориентации подложки подтверждают модель электронного транспорта в них: сверхпроводник - диэлектрик с локализованными уровнями резонансного туннелирования нормальных носителей, - сверхпроводник [3]. Оценен радиус локализации нормальных носителей a на локализованных состояниях в межзеренных границах, на основании модели неупругого туннелирования носителей тока [4].
2. Обнаружена отрицательная вторая гармоника ТФЗ в t-гетероструктурах, в которых имеется электронный транспорт вдоль базовой плоскости КС; она обусловлена d-симметрией параметра порядка в пленках YBCO.
В гетероструктурах с антиферромагнитной прослойкой наблюдалась отрицательная вторая гармоника ТФЗ, величиной от -4 % до - 25 %.
3. Экспериментально показано, что плотность сверхпроводящего тока в aгетероструктурах аномально велика при толщинах AF-прослойки dM=1250 нм.
Характерная длина экспоненциального затухания сверхпроводящих корреляций составляла 710 нм, что указывает на наличие аномально большого эффекта близости на границе КС со слоистым купратным антиферромагнетиком.
4. Обнаружено, что a-гетероструктуры с AF - прослойкой Ca0.5Sr0.5CuOобладают существенно большей чувствительностью к магнитному полю, чем tгетероструктуры без прослойки. Магнитополевые зависимости критического тока у гетероструктур с прослойкой определяются отклонением намагниченности антиферромагнитных слоев от идеального антиферромагнитного упорядочения под действием внешнего поля [5].
Практическая ценность работы 1. Исследования зависимости характерного напряжения бикристаллических переходов от прозрачности границы D1/RNA позволяют выбирать разориентации подложек так, чтобы сопротивления и критические токи переходов были оптимальны для применений.
2. Методика измерения ток - фазового соотношения по зависимостям целых ступеней Шапиро и первой дробной ступени от СВЧ мощности позволяет получать модуль и знак величины второй гармоники ток - фазовой зависимости. Она применима для переходов Джозефсона с произвольной емкостью и с плотностями сверхпроводящего тока, превосходящими 1 A/см2.
При доле второй гармоники, превышающей половину первой, возможно использование гетероструктур для создания тихих фазовых кубитов.
3. Обнаруженная магнитополевая зависимость тока IC для a-гетероструктур позволяет использование их, как магнито - чувствительных элементов и элементов магнитной памяти.
4. В прослойках Ca0.5Sr0.5CuO2 оценены радиус локализации носителей a5 нм и плотность состояний на уровне Ферми g1018 эВ-1см-3. Радиусы a в CSCO - велики, как в PrBa2Cu3O7; величины g - малы, как в аморфном Si. CSCO, имея достоинства обоих барьерных материалов, перспективен для приложений.
Апробация работы. Результаты докладывались на: 33-ем Совещании по физике низких температур, Екатеринбург, (2003); The 5-th, 6-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves Millimeter and Submillimeter Waves, Харьков, 2004, 2007 гг.; Euro-Asian Symposium Magnetism on a Nanoscale, Казань, 2007 г.; Нанофизика и наноэлектроника, Н. Новгород, 2006, 2007, 2008 гг.; Фундаментальные проблемы ВТСП, Звенигород, 2006, 2008 гг.; на XVI - XVII Симпозиумах УNanostructures: physics and technologyФ в 2008, 2009 гг, - самим автором. Результаты вошли в труды конференций: [A7], [A11]; European conference on Appl. Supercond., Brussels, Belgium, 2007 г.; International Supercond. Electronics conference, Fukuoka, Japan 2009 г.
Результаты диссертации отражены в 22 печатных работах, из них статей в журналах и 2 публикации сборниках конференций. Все 22 работы напечатаны изданиях, которые входят в Перечень, определенный ВАК РФ.
Достоверность результатов. Подтверждена большим количеством исследованных образцов, для ряда графиков - около 30. Результаты экспериментов соответствуют теоретическим моделям. Публикации по теме диссертации вызвали интерес научной общественности: индекс цитирования статей [A3, A12, A15, A18] - равен 7 и более.
ичный вклад автора. В работах [A1 - А5], [A10], [A11] по бикристаллическим переходам автор изготавливал образцы и проводил электрические измерения. В соавторстве с др. B.T. Liu (Institute of Physics Chinese Acad. of Sci.) обнаружено изменение сопротивления канала из YBCO под действием электрического поля, [A3]. Экспериментально обнаружено соотношение между скоростями нарастания RNA и - уменьшения jC с ростом разориентации для симметричных переходов на бикристаллах ZrO2+Y2O3, [A4].
В работах [A6] - [A9], [A12], [A13], [A16], [A20] по t-гетероструктурам автор проводил электрические измерения и участвовал в написании статей. Образцы были изготовлены Ф.В. Комиссинским. Автором обнаружена вторая гармоника в ТФЗ t-гетероструктур [A9]. Для [A14] автор получил экспериментальные данные, проводил сравнение с теоретическими формулами, полученными В.К.
Корневым и Т.Ю. Карминской.
В работах [A15], [A18 - 19], [A21 - 22], по а-гетероструктурам с прослойкой, диссертант обнаружил вторую гармонику ТФЗ, [A18]. Экспериментально обнаружил гигантские магнитоосцилляции критического тока, [A15], [A19].
Образцы были изготовлены А.В. Шадриным.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Диссертация содержит 57 рисунков, 6 таблиц и список цитированной литературы из 153 статей.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснован выбор темы диссертации и описана ее структура.
Глава 1 - представляет собой обзор литературы. Описываются свойства КС на примере YBa2Cu3O7- и моделей переходов из КС: бикристаллических контактов и гибридных структур между D- и S-сверхпроводниками.
Обсуждаются переходы с несинусоидальными ТФЗ и их возможное применение для создания тихих кубитов. Указаны цели работы.
В Главе 2 описываются методы электрических измерений, использованые в диссертации. Описаны измерения вольтамперных характеристик (ВАХ) и тока шума измерительной системы IF. Приведены измерения зависимостей критического тока от индукции магнитного поля IC(B), где B=0H, 0=410-Г/м, H - напряженность магнитного поля. Зависимости получены путем записи ВАХ при различных значениях B и определения тока IC - для каждой ВАХ.
В главе дана методика вычисления доли второй гармоники q=IC2/IC1 в ток - фазовой зависимости вида: IS=IC1sin+IC2sin(2). ТФЗ вычисляется из зависимостей высот дробных ступеней Шапиро I1/2 при напряжении V1/2=hfe/(4e), и целых ступеней (In, n=1,2Е) при Vn=nhfe/2e - от тока внешнего сигнала =IRF/IC частотой fe. В работах [A12], [A14] получены 2 формулы для перехода со второй гармоникой и с емкостью: по первой - вычисляются зависимости In(), по второй - зависимость I1/2(). Формулы получены в модели резистивно - шунтированного (RSJ) перехода в высокочастотном (ВЧ) пределе, который выполняется при условиях: 1 или 2С1, где =hfe/(2eICRN) - нормированная частота, С=4eICRN2C/h - параметр МакКамбера.
Рис. 1. Определение гармоники ТФЗ. (a) При =1.6 данные измерений IC показаны кругами, высоты первых ступеней I1 - треугольники, дробных ступеней I1/2 - ромбы; сплошная - расчет для IC, пунктирная - для I1. (b) При =1.6: ромбы - высоты I1/2, сплошная - расчет.
При =2.2: квадраты - высоты ступеней I1/2, пунктирная - расчет. Величина q= -0.14, [A12].
Сравнением высот целых ступеней с расчетом по первой формуле находится модуль q, (рис. 1а). Модуль и знак q - получены аппроксимацией зависимостей I1/2() второй формулой по единственному параметру q, для разных частот , (рис. 1b). Точность методики определяется обнаружением дробной ступени, максимум высоты которой: I1/2=1.16IC2 при 1. При измерении Rd минимальное обнаружимое отношение IC2/IF0.3/1.160.25. Ранее в работе [6], метод измерения ВАХ давал минимальный обнаружимый ток IC2/IF1.
Известно, что измерения детекторного отклика на СВЧ сигнал при малых мощностях сигнала P слабо возмущают процессы в переходе. Наблюдались лосновной отклик при напряжении V1=hf/2e и дробный отклик при V1/2.
Зависимость переменного напряжения отклика перехода от постоянного смещения V показана на рис. 2. В ВЧ пределе форма (V) рассчитана в работах [A14, A16]. Доля гармоники считалась по приближенной формуле:
| | 0.5 / /( / ) (1) Здесь 1, 1/2 Цамплитуды основного и дробного откликов, Rd1, Rd1/2 - дифференциальные сопротивления автономной ВАХ при V1 и V1/2 [A20].
Рис. 2. Зависимость отклика - от напряжения, для a- гетероструктуры с прослойкой Ca0.5Sr0.5CuO2, dM=20 нм.
fe=119.5 ГГц. Точки - (V), линия - ВАХ перехода, горизонтальная стрелка указывает - ширину отклика, вертикальная - перепад 1. На вставке перепады дробного отклика 1/2 - ромбы, их зависимость от мощности - штриховая линия; 1 - треугольники, зависимость от мощности - сплошная линия, [A22].
В главе 3 описываются бикристаллические переходы с разворотами базовой плоскости YBCO вокруг оси с. Даны результаты для переходов на подложках ZrO2+Y2O3 с симметричными углами разориентации =2, где - угол между a-осью половины подложки и ее плоскостью сращивания.
Описана технология изготовления переходов на бикристаллических подложках. При эпитаксиальном напылении YBCO, на бикристаллической границе образуется межзеренная граница в YBCO с той же разориентацией , что и у подложки. Для создания микромостиков, пересекающих межзеренную границу YBCO в пленках средней толщины tY=200300 нм, использовалось травление ионами бислоя Au/YBCO. Вторым ионным травлением удалялся слой Au с микромостика [A4]. Удаление Au c микромостиков из пленок тонких пленок YBCO c tY50 нм происходило в растворе I2+KI+H2O, [A2].
По модели резонансного туннелирования нормальных носителей через локализованные состояния в границе и прямого туннелирования куперовских пар, зависимости от толщины диэлектрика d записываются в виде:
RNAexp(k0d)/nSnL, jCnSexp(-2k0d). Здесь nS - плотность состояний в сверхпроводящем YBCO, nL - плотность локализованных состояний в границе;
k0=(82meEb/h2)1/2 - масштаб экспонент, me - масса носителя, Eb - высота барьера, [3]. Экспериментальные зависимости на рис. 3 приближены экспонентами: RNAexp(R), jCexp(-J). Масштабы экспонент отличались вдвое: J=(0.120.14)0.02, R=(0.0580.061)0.014 град-1, в согласии с теорией работы [3]. Зависимости от угла разориентации строились для 20 - переходов, с углами =80450, при 7 разных температурах в диапазоне 450 K.
Рис. 4. Зависимость характерного Рис. 3. Зависимости нормальных напряжения от проводимости сопротивлений RNA (треугольники) и G/A=1/(RNA). Сплошная линия - плотностей токов критических токов jC аппроксимация VC(RNA)m. T=4.2 К, [A4].
(круги) от . Штриховая и сплошная линии - экспоненциальные зависимости от для jC и RNA - соответственно. Т=50 К, [A4].
Из модели следует: VC(nS2nL)-1/(RNA)(nS2nL)-1G/A. Экспериментальная зависимость VC от нормальной проводимости показана на рис. 4. Характерные напряжения аппроксимировались как: VC=c(RNA)m для переходов с =18450.
Получены параметры: c=0.0770.015 мВмкОмсм2 и m=-0.980.2, что соответствует модели резонансного туннелирования из работы [3].
Далее рассматриваются причины отклонений от указанной модели при =и 360. При измерении нормальной проводимости переходов с =4обнаружено ее увеличение с ростом температуры: G(T)=G1+G2(T-T2)M, c параметрами M=0.61.6, T2=45 K. Вклад G2 соответствует модели неупругого туннелирования через N=2 локализованных состояния, по которой G(T)=G1+G2T4/3 [4]. Толщина диэлектрика d находилась из емкости перехода CC/(ICRN2), как плоского конденсатора: C=0A/d, а C - по формуле Заппе [7]:
[ ) ] [ ] = 2 - ( - 2 ( / ) /, = (2) Здесь IR - ток возврата гистерезисной ВАХ. Для 5 переходов с =450 величина C/A=184 фФ/мкм2, d/=0.490.11 нм. Согласно [8], проницаемость в границе 5, откуда d=2.50.5 нм. В работе [4] указано: d/(N+1)3
Измерения высот 3 первых ступеней, In(P), на частоте fe12 ГГц на переходах с =80 дали нулевые минимумы. Следовательно, их ТФЗ - была синусоидальна.
В переходах с =80 толщина диэлектрика d0.5 нм<2a, модель резонансного туннелирования - неприменима и соотношение VC(RNA)-1 - не выполняется.
В главе описываются детекторные характеристики YBCO переходов на подложках Al2O3 c разориентацией =120+120. Получена зависимость ширины основного отклика 2f от температуры перехода. Полуширина отклика для RSJ перехода, при уширении тепловыми флуктуациями, дана в монографии [9]:
= 4( ) 1 + 40.573 МГц (3) Величины 2f возрастали линейно с температурой по RSJ модели, но были в 1.5 раза больше, чем следует из формулы (3). Отклик бикристаллических переходов на положках Al2O3 на сигнал с fe500 ГГц наблюдался при азотных температурах вплоть до нормированной частоты =40 при T=82 К.
Глава 4 посвящена гибридным оксидным меза-гетероструктурам Nb/Au/YBCO на наклонных пленках YBCO c направлением [1,1,20] перпендикулярным подложке (далее t-гетероструктуры). На поверхности наклонных пленок есть два вида граней, перпендикулярных направлениям [001] и [110]. Ток, протекающий вдоль [110] YBCO, оказывает большое влияние на параметры t-гетероструктур, в этом направлении величины RNA - на интерфейсе Au/YBCO ниже, чем в направлении [001] YBCO. Разрез tгетероструктуры показан ниже, на рис. 7. В гл. 4 рассматриваются tгетероструктуры без прослойки между Au и YBCO. Переходы t- и aгетероструктур изготавливались в виде квадратов со стороной L=1050 мкм2.
Сначала описываются свойства t-гетероструктур на постоянном токе. Для них получены средние величины: jC=7.52.5 А/см2, RNA=(8.83.7)10-6 Омсм2, характерного напряжения VC=6015 мкВ, С=4.41.3, и отношение d/0.350.нм. При =5 определена толщина барьера d12 нм, аналогично работе [7].
Прозрачность границы t-гетероструктуре (D) вычислена в модели двух металлов с разными Ферми импульсами, разделенных барьером, [10]. Расчет дает величину D1.910-4. В предположениях D1 и тонкого барьера d< по формулам, полученным в статье [11], вычислено напряжение первой гармоники ТФЗ VC1=IC1RN400 мкВ и второй гармоники VC2=IC2RN0.1 мкВ. Расчетные значения VC1 по порядку величины близки к полученным в эксперименте.
Измеренные значения VC210 мкВ - на 2 порядка больше теоретических, что возможно, вызвано протеканием компоненты IC2sin(2) через связанные андреевские состояния при транспорте через грани (110) YBCO. На наличие этих состояний в окрестности энергии Ферми EF YBCO указывает пик дифференциальной проводимости GD при 6 мВ, рис. 5. При V>6 мВ проводимость нарастает с напряжением, наблюдается недостаток тока; эти особенности ВАХ характерны для туннельных переходов [12]. В целом, tгетероструктуры можно описать моделью туннельного перехода между S- и Dсверхпроводниками с потенциальным барьером на границе Au/YBCO.
Зависимости IC(B) у t-гетероструктур отличаются от - фраунгоферовых тем, что имеют прогиб вниз в пределах главного пика. Это прогиб возникает в расчетах, если контакт содержит фасетки, являющиеся -переходами, [A13].
Зависимости IC(B) t-гетероструктур содержат два периода, один из которых равен кванту магнитного потока 0, а другой - 0/2. Наличие двух периодов объясняется моделью, в которой t-гетероструктура является параллельной цепью из двух видов фасеток: со значительной второй гармоникой ТФЗ такой, что q<-0.5, - -переходов, и с малой гармоникой: |q|<0.5 - 0-переходов.
Рис. 5. ВАХ t-гетероструктуры в слабом Рис. 6. Зависимости полуширин основного магнитном поле, пунктир - прямая I=V/RN, отклика f1 (треугольники) и дробного - T=4.2 K. Точки - зависимость f1/2 (ромбы) от соотвественно Rd12/RN и проводимости GD(V). На вставке - ВАХ Rd1/22/RN Ц. Прямая - расчет f1.
той же t-гетероструктуры при H=0. [A15].
В главе описываются измерения ТФЗ t-гетероструктур по СВЧ методике.
Расчет полуширины отклика - f по формуле (3) при T=4.2 К показан на рис. 6 - линией. Экспериментальные величины f1, f1/2 и близки к минимуму, который определяется для f1 термическими флуктуациями на RSJ переходе. Вторая гармоника ТФЗ обнаруживалась на всех гетероструктурах, за исключением переходов с малыми токами IC 3 мкА, когда дробные ступени не наблюдались из-за флуктуаций, [A9]. Измерения проводились и по ступеням Шапиро [A12], и по детекторным откликам [A20]. Получены величины q=-0.1 -0.2.
Глава 5 посвящена гибридным оксидным гетероструктурам с антиферромагнитной прослойкой Ca1-xSrxCuO2 (далее a-гетероструктуры).
Параметры элементарной ячейки с симметрией 4/mmm у CaCuO2 составляют a=b=0.385 нм, они близки к параметрам поверхности подложки NdGaO3 (110):
0.385 и 0.386 нм, а также к параметру YBCO: a=0.386 нм. Поэтому пленки CSCO росли - эпитаксиально и на NdGaO3, и на YBCO. CSCO - прыжковый проводник с переменной длиной прыжка, с зависимостью проводимости вида:
( ) = exp [-( ) / / ], где T0=24/(kga3) - экспериментальная константа, a - радиус локализации носителей тока, g - плотность состояний на уровне Ферми. Для состава Ca0.5Sr0.5CuO2 нами измерены константы T0(0.43)106 К, из них получены величины ga30.020.2 Эв-1. Удельное сопротивление (4.2)>104 Омсм - получено экстраполяцией данных R(T) к T=4.2 К.
Разрез и схема электрических измерений a-гетероструктуры приведены на рис. 7a. При температурах ниже TCNb8.5 К пленки YBCO и Nb под контактами были - сверхпроводящими, измерения ВАХ - четырехточечными.
Рис. 7. Разрез гетероструктуры с прослойкой (а) и ее фотография (б). На верхней половине фотографии находятся слои Au/CSCO/YBCO, на нижней Цслои Au/Nb. Темное поле - диэлектрик SiO2, изолирующий торцы гетероструктуры от верхнего электрода.
В главе 5 рассказывается об эффекте близости в a-гетероструктурах.
Зависимости от толщины CSCO представлялись экспонентами:
RNA=ARexp(dM/R), jC=AJexp(-dM/J), с параметрами: AR, R и AJ, J, на рис.8.
Различие экспериментальных параметров: J =8.7 нм и R=8.5 нм меньше, чем их погрешность: 7.8R9.4, 7.7J10. Учитывая интервалы значений:
0.13
Зависимость VC от толщины прослойки не обнаружена для dM=1250 нм Рис. 8. (a) - зависимости сопротивлений RNA, и (b) - плотностей тока jC от - dM при 4.2 К.
Данные для a-гетероструктур черные символы: с L=10 мкм - кресты, 20 мкм - круги, 30 мкм - треугольники, 40 мкм - ромбы, 50 мкм - пятиугольники; для t-гетероструктур - светлые символы. Аппроксимации - сплошные линии, доверительные интервалы - пунктир, [A22].
Рис. 9. Зависимость отношений d0/ от dM.
Даннные для состава x=0.5 - ромбы, x=0.15 - круги. Сплошная линия - аппроксимация по черным ромбам, штрихпунктир - ее погрешность. Пунктир - интервал величин d/ полученный для tгетероструктур.
Отношения d/ вычислены для a-гетероструктур по гистерезису ВАХ, данные показаны на рис. 9. По формуле (2) расчитаны параметры С0.93 и удельные емкости C/A190 фФ/мкм2. Методом наименьших квадратов для этих данных ( )[ ] получено: / = 0.35 0.05 - (224), нм.
По нашей модели над интерфейсом CSCO/YBCO находится слой металлического CSCO c толщиной dN, он не дает вклада в емкость C/A/d0. В прослойках Ca0.5Sr0.5CuO2 толщина dN20 нм, при составе Ca0.85Sr0.15CuO2 dNнм. Над металлическим CSCO лежит диэлектрическая часть прослойки толщиной d0dM-dN. В случае dMdN отношения d0/ a-гетероструктур близки к d0/0.350.2 нм, полученному для t-гетероструктур в главе 4. В этом случае, отсутствуют вклады в проводимость: G(V)V4/3 и G(T)T4/3, поэтому неупругое туннелирование - не наблюдается. Для таких a-гетероструктур предложена модель S/I/AF/S с диэлектрическим барьером на интерфейсе Au/CSCO и многослойной антиферромагнитной прослойкой. Соседние плоскости (111) CSCO имеют противоположную намагниченность (антиферромагнетик Gтипа), по данным работы [13]. В модели предполагается, что AF- прослойка состоит из металлических ферромагнитных слоев, обменное поле лежит в плоскости прослойки, имеет противоположную ориентацию в соседних слоях и обменную энергию Hex Рассматривались a-гетероструктуры с прослойками Ca0.5Sr0.5CuO2 с толщинами dM>dN, для которых характерны отсутствие сверхтока или большие отношения d0/0.35 нм. Транспорт носителей соответствовал прыжковой проводимости при T>TVRH, или наблюдались вклады в проводимость G2V4/3 и G2T4/3 (см. главу 3). Радиус локализации носителей a оценивался аппроксимациией прыжковых ВАХ по параметру a/d0 методами работы [15]; получена оценка a=3.13.5 нм. Из зависимости: G2d-1exp[-2d0/(3a)] коэффициентов G2 при вкладах G2 V4/3 и G2 T4/3 от толщины d0 получены оценки: a=5.05.6 нм по G2(V), a=5.76.6 нм по G2(T), методом из работы [16]. Из этих данных средняя оценка радиуса локализации носителей в Ca0.5Sr0.5CuO2: a=52 нм. Из величин T0=(0.71)106 K - для a-гетероструктур, получен порядок плотности состояний на уровне EF: g(0.25)1018 эВ-1см-3. Даны экспериментальные результаты исследования мангнитополевых зависимостей критического тока a-гетероструктур IC(B). Обнаружено, что период осцилляций критического тока в этих зависимостях - B0 у гетероструктур с прослойкой Ca0.5Sr0.5CuO2 на порядок меньше, чем у tгетероструктур (см. рис. 10). Период этих осцилляций уменьшался с ростом толщины слоя Ca0.5Sr0.5CuO2. Форма зависимости IC(B) объясняется моделью джозефсоновского перехода со слоистой антиферромагнитной прослойкой, в которой магнитнополевая зависимость критического тока определяется спиновым состоянием прослойки, как теоретически предсказано в работе [5]. Рис. 10. Зависимость периодов B0 в Рис. 11 Вторая гармоника ТФЗ у aгетероструктурах. Периоды для a- гетероструктур в зависимости от dM. гетероструктур с dM=50 нм - квадраты, для Квадраты - значения q, измереннные по dM=20 нм - треугольники и расчет B0 ступеням, треугольники - по откликам. кресты, для - t-гетероструктур - круги. Открытые символы - данные для aСплошная - линейная аппроксимация для гетероструктур c прослойками CSCO для t-гетероструктур. Светлые символы - x=0.15, черные - с x=0.5. Данные для B0 - в перпендикулярном поле, черные - в - одного перехода, но при разных частотах параллельном, [A19]. fe, указаны номером образца. Ширины основного и дробного детекторного откликов определяются отношением Rd2/RN по формуле (3), которая получена в монографии [9] для уширения линии генерации RSJ перехода термическими флуктуациями. Как показано ранее, величины q, вычисленные по ступеням Шапиро, близки к значениям, полученным по формуле (1) из измерений откликов. Для a- гетероструктуры с dM=20 нм по измерению откликов, показанному на рис. 2, получен |q|=0.27, а из измерений ступеней получены величины q=-0.23 и -0.для частот fe=119.5 и fe=105 ГГц (рис. 11). В a-гетероструктурах наблюдалась вторая гармоника ток-фазовой зависимости величиной от -4 до -25 % от первой. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 1. Для симметричных YBa2Cu3O7 бикристаллических переходов с разориентацией осей в базовой плоскости на подложках ZrO2+12 % Y2O3, установлено, что характерные сопротивления границ RNA экспоненциально увеличивались с ростом угла разориентации . Плотности сверхпроводящего тока экспоненциально снижались с ростом угла - вдвое быстрее. При углах 360 наблюдался рост нормальной проводимости с повышением температуры, что соответствует неупругому туннелированию через локализованные состояния. Оценен радиус локализации носителей a0.3 нм. 2. Разработана СВЧ методика измерения соотношения между джозефсоновским током и разностью фаз параметров порядка на переходе, которая основана на измерении динамических свойств переходов под действием внешнего СВЧ сигнала. Модуль и знак второй гармоники ток-фазовой зависимости вычисляются из совокупности графиков высот целых и дробных ступеней Шапиро от мощности облучения. Вторая гармоника ток-фазовой зависимости может определяться из детекторного отклика перехода путем сравнения двух особенностей: дробного отклика при напряжении дробной ступени Шапиро с - основным откликом при напряжении первой ступени. 3. Исследованы транспортные характеристики гибридных оксидных мезагетероструктур Nb/Au/YBa2Cu3O7 на наклонных пленках YBCO, в которых значительный вклад в проводимость гетероструктуры дает перенос тока вдоль базовой плоскости купрата. Магнитополевые зависимости критического тока соответствуют модели, по которой наклонные гетероструктуры состоят из субмикроных фасеток двух видов: 0- и -переходов. По СВЧ методике у наклонных гетероструктур измерена отрицательная вторая гармоника токфазовой зависимости, величиной -10-20 % от первой. 4. В гибридных оксидных меза-гетероструктурах Nb/Au/Ca1-xSrxCuO2/ /YBa2Cu3O7 c антиферромагнитными прослойками Ca1-xSrxCuO2 толщиной от до 50 нм наблюдался сверхпроводящий ток, c плотностью 1500 А/см2. Получена длина затухания сверхпроводящего параметра порядка в прослойках: 710 нм. Показано, что причиной эффекта Джозефсона в гетероструктурах с прослойкой является аномально большой эффект близости в слоистом антиферромагнетике. У гетероструктур с прослойкой наблюдалась вторая гармоника ток-фазовой зависимости величиной от -4 до -25 % от первой. 5. Обнаружено, что период осцилляций критического тока от магнитного поля у гетероструктур с прослойкой Ca0.5Sr0.5CuO2 на порядок меньше, чем у гетероструктур без прослойки. Период осцилляций критического тока, который уменьшается с ростом толщины слоя Ca0.5Sr0.5CuO2, а также форма зависимости критического тока, объясняются моделью джозефсоновского перехода со слоистой антиферромагнитной прослойкой, в которой магнитополевая зависимость критического тока определяется спиновым состоянием прослойки. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ A1. S.A. Zhgoon, G.D. Lobov, Yu.V. Kislinskii, A.R. Kuzhakhmetov, E.A. Stepantsov// Phase locking up to 2.5 THz in grain-boundary Josephson junctions at 77 K. Applied Superconductivity 3, pp. 615-619 (1995). A2. Yu.V. Kislinskii, Zhao Bai-ru, Wu Pei-jun, Peng Xhi-qiang, Cheng Ying-fei, Yang Tao, Chen Lie, Sun Ji-jun, Xu Bo, Wu Fei, Zhou Yue-liang, Li Lin, Zhao Zhong-ziang// YBa2Cu3O7 Bicrystal Josephson Junctions and dc SQUIDs. Chinese Phys. Lett. 13, pp. 390-393 (1996). A3. B.T. Liu, Z. Hao, Y.F. Chen, B. Xu, H. Chen, F. Wu, and B.R. Zhao, Yu. Kislinskii and E. Stepantsov// Investigation on Ag/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3YBa2Cu3Othree-terminal system with small gate area. Applied Phys. Lett 74, pp. 2044 - 20(1999). A4. Ю.В. Кислинский, Е.А. Степанцов, З.Г. Иванов, Т. Клаесон// Симметричные ВТСП бикристаллические переходы: зависимость электрофизических свойств от угла разориентации. ФТТ 43, стр. 581-586 (2001). A5. Y.V. Kislinskii, K.Y. Constantinian, I.V. Borisenko, G.A. Ovsyannikov, P. Yagubov// Submillemeter wave signal detection by bicrystal YBCO Josephson junctions at liquid nitrogen temperatures. Physica C 372-376, pp. 436 - 439 (2002). А6. Ф. В. Комиссинский, Г.А. Овсяников, Ю.В. Кислинский, И.М. Котелянский, З.Г. Иванов// Андреевские состояния и эффект Джозефсона в сверхпроводниковых гетероструктурах в тонких пленках YBa2Cu3Ox. ЖЭТФ 122, стр. 1247 - 1259 (2002). А7. G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskii, E. Il`ichev, Y.V. Kislinskii, and Z.G. Ivanov// Josephson effect in Nb/Au/YBCO heterojunctions. IEEE Trans. on Appl. Supercond. 13, pp. 881 - 884 (2003). Рецензируемая публикация в трудах конференции, входит в Перечень ВАК. A8. G.A. Ovsyannikov, P.V. Komissinskii, Y.V. Kislinskii, Z.G. Ivanov// Superconducting current-phase relation and Andreev bound states in Nb/Au/ YBa2Cu3Ox Josephson Heterojunctions. Modern Phys. Lett. B 17, pp. 569 - 5(2003). A9. F.V. Komissinski, K.I. Constantinian, Y.V. Kislinskii, G.A. Ovsyannikov// Electron transport in metal oxide superconducting heterojunctions. Low Temp. Phys. 30, pp. 795 - 809 (2004). A10. Г.А Овсянников, К.И Константинян, И.В. Борисенко, Ю.В. Кислинский, А.А. Ахумян, Н.Г. Погосян, Т.В. Захарян// Сигнальные и шумовые характеристики детекторов субмм. волн на джозефсоновских бикристаллических переходах из металлокосидных сверхпроводников. Радиотехника 8, стр. 117-122 (2005). A11. G.A. Ovsyannikov, I.V. Borisenko, K.Y. Constantinian, Y.V. Kislinskii, A. A. Hakhoumian, N.G. Pogosuan, T. Zakaryan, N.F. Pedersen, J. Mygind, N. Uzunoglu, E. Karagianni// Bandwidth and Noise of Submillimeter Wave Cuprate Bicrystal Josephson Junction Detectors. IEEE Trans. on Appl. Supercond. 15, pp. 533-5(2005). Рецензируемая публикация в трудах конференции, входит в Перечень ВАК. A12. Ю.В. Кислинский, Ф.В. Комиссинский, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, Т.Ю. Карминская, В.К. Корнев// Сверхпроводящий ток гибридных переходов металлооксидных сверхпроводников: размерная и частотная зависимости. ЖЭТФ 128, стр. 575 - 585 (2005). A13. И.В. Борисенко, Ю.В. Кислинский, Ф.В. Комиссинский, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, Т.Ю.Карминская, В.К. Корнев, И.И. Соловьев. Гибридные Nb/Au/YBaCuO гетероструктуры из металлооксидных сверхпроводников// Поверхность, Рентгеновские, Синхротронные и нейтронные исследования 2, стр. 48-54 (2006). А14. V.K. Kornev, T.Y. Karminskaya, Y.V. Kislinskii, P.V. Komissinski, K.Y. Constantinian, G.A. Ovsyannikov// Dynamics of underdamped Josephson junctions with non-sinusoidal current-phase relation. Physica C 435, pp. 27-30 (2006). A15. Г.А. Овсянников, И.В. Борисенко, Ф.В. Комиссинский, Ю.В. Кислинский, А.В. Зайцев// Аномальный эффект близости в сверхпроводниковых оксидных структурах с антиферромагнитной прослойкой. Письма в ЖЭТФ 84, стр. 320324 (2006). A16. Г.А. Овсянников, К.И. Константинян, Ю.В. Кислинский, Ф.В. Комиссинский, И.В. Борисенко, Т.Ю. Карминская, В.К. Корнев// Микроволновые динамические параметры джозефсоновских структур с нетривиальной ток-фазовой зависимостью. Радиотехника и электроника, 51, N9, стр. 1-9 (2006). A17. G.A. Ovsyannikov, V.V. Demidov, Y.V. Kislinski, P.V. Komissinski, D. Winkler// "Conductivity and Antiferromagnetism of CaCuO2 Thin Films Doped by Sr", Physica С 460-462, pp. 536-537 (2007). A18. P. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, I.V. Borisenko, Y.V. Kislinskii, K.Y. Constantinian, A.V. Zaitsev, D. Winkler// Josephson Effect in Hybrid Oxide Heterostructures with an Antiferromagnetic Layer, Phys. Rev. Lett. 99, pp. 0170041-0170044 (2007). A19. Ю.В. Кислинский, К.И. Константинян, Г.А. Овсянников, Ф.В. Комиссинский, И.В. Борисенко, А.В. Шадрин// УМагнитозависящий сверхпроводящий транспорт в оксидных гетероструктурах с антиферромагнитной прослойкойФ, ЖЭТФ 133, стр. 914-920 (2008). A20. P.V. Komissinskiy, G.A. Ovsyannikov, K.Y. Constantinian, Y.V. Kislinski, I.V. Borisenko, I.I. Soloviev V.K. Kornev, E. Goldobin, D. Winkler// High-frequency dynamics of hybrid oxide Josephson heterostructures Physical Rev. B 78, pp. 024501-024515 (2008). A21. Ю.В. Кислинский, Г.А. Овсянников, К.И. Константинян, А.В. Шадрин, Ф.В. Комиссинский, Н.В. Кленов, В.К. Корнев// Гибридные джозефсоновские контакты с d-волновой симметрией параметра порядка для элементов квантовых вычислительных систем. Радиотехника 6, стр. 10-15 (2009). A22. А.В. Зайцев, Г.А. Овсянников, К.И. Константинян, Ю.В. Кислинский, А.В. Шадрин, И.В. Борисенко, Ф.В. Комиссинский// Сверхпроводящий ток в гибридных структурах с антиферромагнитной прослойкой. ЖЭТФ 137, стр. 380-389 (2010). СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Faley, M.I., U. Poppe, C.L. Jia, et al., 1997// IEEE Trans. on Appl. Super. 7, 2514. 2. Hiroi Z., Azuma M., Takano M., Takeda Y. 1993//Physica C 208,286. 3.Halbritter, J., 1993// Physical Rev. B 48, 9735. 4. Глазман, Л.И., К.А. Матвеев, 1988// ЖЭТФ 94, 332. 5. L.P. Gorkov, V.Z. Kresin, 2004// Physics reports 400, 149 (2004). 6. Kleiner, R., A.S. Katz, A.G. Sun, et al., 1996// Physical Rev. Lett. 76, 2161. 7. Zappe, H.H., 1973// Journal of Appl. Phys. 44, 1371. 8. Winkler, D., Y. M. Zhang, et al., 1994// Physical Rev. Lett. 72, 1260. 9. Likharev, K.K., 1986// Dynamics of josephson junctions and circuits. New York. 10. Komissinski, P.V., E. Il`ichev, G.A. Ovsyannikov, et al., 2002//Physica C 368, 271. 11. Komissinski, P.V., E. Il`ichev, G.A. Ovsyannikov, et al., 2002// Europhysics Lett. 57, 585. 12. Blonder, G.E., M. Tinkham, T.M. Klapwijk, 1982// Rev. B 25, 4515. 13. Vaknin D., Caignol E., Davis P.K. et al, 1989//Phys. Rev. B39, 9122. 14. Зайцев А.В, 2009//Письма в ЖЭТФ, 90, 521. 15. Yoshida, J., T. Nagano, T. Hashimoto, 1996//. Physical Rev. B 53, 8623. 16. Xu, Y., D. Ephron, M.R. Beasley, 1995// Physical Rev. B 52, 2843.